مقاله طراحی تفصیلی و پیاده سازی سیستم ذخیره سازی سرما بر روی ساختمان

بخشی از مقاله

طراحی تفصیلی و پیاده سازي سیستم ذخیره سازي سرما بر روي ساختمان

اداري برق قرچک و ارزیابی عملکرد آن

واژههاي کلیدي: سیستمهاي ذخیرهسازي سرما، سیستم کنترل، قرچک، ارزیابی عملکرد

چکیده

در تداوم مطالعات صورت گرفته در زمینه بومیسازي فناوري و بـه کـارگیري سیسـتمهاي ذخیـرهسـازي سـرما در کشـور، پیادهسازي سیستم پیشگفته در ساختمان اداري بـرق قرچـک در دستور گروه مجري پروژه قرار گرفت. در این راسـتا و بـه دنبال طراحی تفصیلی سیسـتم مـذکور نسـبت بـه خریـداري تجهیزات لازم اقدام و طرح مذکور در ساختمان مـورد اشـاره پیادهسازي گردید. پس از پیادهسازي سیسـتم ذخیـره سـازي، آزمونهاي اولیه ارزیابی عملکرد آن سیستم صـورت پـذیرفت. نتایج بدست آمده حاکی از عملکـرد مناسـب سیسـتم ذخیـره سازي سرماي مورد اشاره می باشـد. توسـعه بکـارگیري ایـن سیستم در کشور مستلزم بومیسازي فنـاوري ایـن سیسـتم در کشور بوده و توجه بیشتر دست اندرکاران عرضه انرژي کشور را می طلبد. این سیستم به عنوان یکـی از ابزارهـاي قدرتمنـد مدیریت بار در کشور میتواند عواید قابل تـوجهی را نصـیب کشور نماید. در این مقاله به چگونگی پیادهسـازي و ارزیـابی عملکرد سیستم ذخیرهسازي سرماي نصب شده در سـاختمان اداري برق قرچک پرداخته شده است.

-1 مقدمه

از جمله ویژگیهاي انرژي الکتریکی که آن را از سایر حاملهاي انرژي متمایز میگرداند، عدم امکان ذخیرهسازي آن بصـورت انبوه و مستقیم میباشد. این خصوصیت باعث شده اسـت کـه ذخیـرهسـازي انـرژي الکتریکـی بصـورت انـرژي حرارتـی، مکانیکی و شیمیایی مورد توجه قرار گیرد. از چهار نوع انرژي مورد نیاز مصرف کننـدگان یعنـی انـرژي مکـانیکی، حرارتـی روشنایی و الکتریکی فقط انرژي حرارتی بصورت گسـترده و با حجم زیاد توسط مصرف کننـدگانی کـه بـه شـبکه قـدرت متصل هستند قابل ذخیرهسازي است. سـایر حاملهـاي انـرژي بصورت محدود و در مواردي با هزینههاي نسـبتاً زیـاد قابـل ذخیــرهســازي هســتند. بــه همــین دلیــل نقــش سیســتمهاي ذخیرهسازي سرما جهت ایجـاد تعـادل بـین تولیـد و مصـرف انرژي الکتریکی، نقش برجستهاي میباشد.

در کشور ما ایران، اسـتفاده از سیسـتمهاي تهویـه مطبـوع در فصل تابستان از جمله عوامل ایجاد پیک شبکه در ایـن فصـل محســوب مــیگــردد. بــه همــین دلیــل، نقــش سیســتمهاي ذخیرهسازي سرما به عنوان یکی از فناوریهاي کارآمـد جهـت جابجایی بار الکتریکی از ساعات پیک به ساعات غیر پیک در ایــران از اهمیــت بیشــتري نســبت بــه بســیاري از کشــورها برخوردار است.
در ایــن راســتا مطالعــات گســترده و دامنــهداري در زمینــه پتانسیلسنجی بکارگیري سیسـتمهاي ذخیـرهسـازي سـرما در ایران و به دنبال آن پیادهسازي یـک طـرح در مقیـاس واقعـی انجام پذیرفت. نتایج به دسـت آمـده از طـرح »امکـانسـنجی استفاده از سیستمهاي ذخیره سازي سرما در ایران « نشـان داد کـه در کشـور مـا نیـز در بسـیاري از سـاختمانها اسـتفاده از سیسـتمهاي ذخیـرهسـازي سـرما در مقایسـه بـا سیسـتمهاي سرمایش تراکمی از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است.[1]

در مطالعات قبلـی مـواردي نظیـر تحلیـل بـار برودتـی چنـد ساختمان نمونه و عوامل ایجاد کننده آن، معرفـی سیسـتمهاي ذخیرهسازي سرما، رویه محاسبه ظرفیـت و انتخـاب چیلـر و مخازن ذخیرهسازي سرما، چگونگی محاسبه میـزان جابجـایی مصرف برق از ساعات پیک به سـاعات غیـر پیـک و کـاهش دیماند، ارزیابی اقتصادي بکارگیري سیستمهاي ذخیـرهسـازي سرما در 12 ساختمان نمونه، طراحی اولیه سیستم ذخیرهسازي سرما در ساختمان اداري برق قرچـک، منطـق سیسـتم کنتـرل مجموعه ذخیرهسازي سرما جهـت نصـب بـر روي سـاختمان اداري بـرق قرچـک و چگــونگی انتخـاب تجهیـزات اصــلی سیستم ذخیرهسازي در سـاختمان اداري بـرق قرچـک مـورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت 4]،3،2،[1

در این مقالـه بـه بررسـی فراینـد طراحـی تفصـیلی، انتخـاب تجهیزات و پیادهسازي سیستم ذخیرهسازي سرما در ساختمان اداري برق قرچک پرداخته میشـود. در ادامـه نتـایج تجربـی بکارگیري سیستم ذخیرهسازي سرما در ساختمان پـیش گفتـه ارائه میگردد. بدیهی است کـه عملکـرد هـر یـک از اجـزاي اصلی سیستم ذخیرهسازي سرما نیازمند ارزیابی دقیق هر یـک از آنها میباشـد کـه ارائـه تمـامی جزییـات آن در ایـن مقالـه امکانپذیر نیست.

-2 مروري بر طراحی اولیه سیستم ذخیرهسـازي سـرما جهت پیـادهسـازي آن بـر روي سـاختمان اداري بـرق قرچک

ساختمان اداري برق قرچـک بـا زیربنـاي 672ر1 مترمربـع در شهر قرچک در جنوب شرقی تهران واقع شده اسـت. کـاربرد این ساختمان اداري بوده و جهت انجام امور مشترکین برق در محدوده شهر قرچـک احـداث شـده اسـت. پـس از سـاخت ساختمان مذکور بخـش دیسـپاچینگ ناحیـه قرچـک نیـز بـه ساختمان مذکور اضافه گردید. بار برودتـی سـاعتی سـاختمان اداري برق قرچک بین صفر تـا 45 تـن در نوسـان اسـت. در شکل (1) بار برودتی سـاعتی سـاختمان اداري بـرق قرچـک، همراه با ظرفیت عملی چیلر در شـرایط عملکـرد بـالا و زیـر صفر درجه سانتیگراد و همچنین فرایند شارژ و دشارژ مخـزن در ساعات مختلف شبانهروز نشان داده شده است.

عـلاوه بـر مـوارد منـدرج در شـکل (1) در طراحـی سیسـتم ذخیرهسازي سرما جهت پیادهسازي آن بر روي ساختمان برق قرچک، ملاحظات زیر منظور شده است:

* فناوري مخزن از نوع یخ بر روي کویل داخلی میباشـد کـه دلایل انتخاب ایـن فنـاوري در مراجـع 4]،5،6،[7 بـه تفصـیل بحث شده است.

* نوع عملکرد سیستم ذخیرهسازي سرما به دلیل ضریب تنـوعپایین بار برودتی سـاختمان اداري بـرق قرچـک 46) درصـد)

براساس ذخیرهسازي جزئی صورت پذیرفتـه اسـت. ولـی در ابتدا و انتهاي فصل گرما کـه بـار برودتـی سـاختمان کـاهش

مییابد امکان عملکرد سیستم بر مبناي سیسـتم ذخیـرهسـازي کامل وجود دارد .[4]

* بــه دلایــل منــدرج در مرجــع [4] آرایــش چیلــر و مخــزن بصورت سري و گزینه چیلر بالا دست انتخاب گردید. اجزاي اصلی سیستم ذخیرهسازي طراحی شده شـامل چیلـر، مخـزن، مبدل حرارتی (نوع صفحهاي)، پمپهاي دور متغیـر، تـابلوي برق، شیرهاي کنترلی، مخـازن انبسـاط سیسـتم تصـفیه آب و سیستم کنترل (PLC) میباشد که برخی از آنها از داخل کشور و برخی دیگر از خارج کشور تهیه گردید.

* محاسبات مربوط به شارژ و دشارژ مخزن و منطق عملکرد سیستم ذخیرهسازي در مرجع [4] ارائه گردیده است.

-3 طراحی تفصیلی سیستم ذخیرهسـازي سـرما جهـت پیادهسازي آن بر روي ساختمان اداري برق قرچک
پس از تهیه طرح اولیه، نسبت به توسعه آن با هدف تهیه طرح تفصیلی اقدام گردید. در طرح تفصیلی نسبت به نهـاییسـازي مشخصــات فنــی اجــزاي سیســتم، چیــدمان آنهــا در محــل موتورخانـــه ســـاختمان اداري بـــرق قرچـــک، محاســـبات هیدرودینامیکی سیکل تبرید، محاسبات برودتی سیکل تبریـد، محاسبات افت فشار سیکل تبرید (اتـیلن گلیکـول) و سـیکل سمت ساختمان (آب) و انتخاب پمپهاي مربوطه، محاسبات مربوط به انتخاب مخازن انبسـاط سـمت سـاختمان و سـمت اتیلن گلیکـول، سیسـتم تصـفیه آب، مشخصـات فنـی اتـیلن گلیکول مورد استفاده در سیکل و ... اقدام گردید.

بدین ترتیب طرح اولیه سیستم ذخیرهسـازي سـرما بـه طـرح تفصیلی قابل پیادهسـازي تبـدیل و امکانـات نـرمافـزاري لازم براي اجراي طرح فراهم گردید. بـه دلیـل حجـم قابـل توجـه نقشـههـا و اطلاعـات مربـوط بـه طراحـی تفصـیلی سیسـتم ذخیرهسازي سرما جهـت پیـادهسـازي آن در سـاختمان اداري برق قرچک، ارائه جزئیات اطلاعات مذکور امکانپذیر نیست.

به همین دلیل در این بخش به ارائه مشخصات فنی تجهیـزات اصلی سیستم ذخیرهسازي سرما و سپس ارزیـابی عملکـرد آن بسنده میگردد. اطلاعات تفصیلی مورد اشـاره در مرجـع [5]ارائه شده است.

-1-3 چیلر سیستم ذخیرهسازي سرما

چیلر سیستم ذخیرهسازي سرما بایـد قابلیـت ایجـاد سـرما در شرایط زیر صفر و بالاي صفر درجه سانتیگراد را داشته باشـد.به همین دلیل چیلـر مـورد اسـتفاده در طـرح حاضـر از نـوع چیلرهاي گلیکول (چیلرهایی که قابلیت ایجاد سرما در شرایط زیر صفر و بالاي صفر درجه سانتیگراد را داشته باشد) طراحی و ساخته شد. چیلر مورد استفاده در سیستم ذخیـره سـازي از نوع تراکمی کندانسـور هـوایی و تعـداد کمپرسـورهاي آن دودستگاه بوده و ظرفیت اسمی آن 30 تن برودتی میباشـد. بـراساس طراحی صورت گرفته دبـی اتـیلن گلیکـول جـاري درسیکل تبرید در شرایط بالاي صفر درجه سانتیگراد 5 لیتـر بـرثانیه و در شرایط زیر صفر درجه سانتیگراد 2/4 لیتر بـر ثانیـه لحاظ شده است.

چیلر سیستم ذخیرهسـازي سـرما از جملـه مهمتـرین اجـزاي سیستم ذخیرهسازي است که در داخل کشور سـاخته و مـورد استفاده قرار گرفت. چگونگی محاسـبات مربـوط بـه ظرفیـت چیلر در شرایط زیر صفر و بالاي صـفر درجـه سـانتیگراد در مرجع [4] ارائه شده است.

-2-3 مخزن ذخیرهسازي سرما

مخزن ذخیرهسازي سرما از جملـه مهمتـرین اجـزاي سیسـتم ذخیره سازي سرما میباشد. با توجه بـه اینکـه تولیـد مخـازن ذخیرهسازي سرما با کاربري تهویه مطبوع در کشور هیچگونـه سابقهاي ندارد لذا جهت سهولت در بومیسازي ایـن فنـاوري مقرر گردید نسبت به تهیه این تجهیز از خارج از کشور اقـدام گردد. براساس مکاتبات مفصـلی کـه در ایـن زمینـه صـورت پذیرفت شرکتهاي پیشرو در ایـن زمینـه شناسـایی و موضـوع تهیه مخازن با ایشان در میان گذاشته شد. در نهایت دو شرکت که جهت همکاري با گروه مجري پروژه ابـراز علاقـه نمـوده بودند انتخاب و مکاتبات بعدي با ایشان صورت پذیرفت.
مخازن یکی از شرکتها بصـورت اسـتوانهاي و از جـنس مـواد پلیمري و مخازن شرکت دیگري به شکل مکعب مستطیل و از جنس فولاد ساخته میشود. با توجـه بـه اینکـه بـومیسـازي فناوري سـاخت مخـازن از جملـه اهـداف مهـم ایـن پـروژه میباشد و از نظر فرایند ساخت، تولید مخازن مکعب شکل از سهولت بیشتري نسبت به مخازن استوانهاي برخـوردار اسـت لذا تصمیم بر آن شد تا مخـزن سیسـتم ذخیـرهسـازي از نـوع مکعب مستطیل انتخاب شود. مشخصـات فنـی مخـزن مـورد استفاده در طرح در جدول (1) ارائه شده است.

-1-2-3 سیستم اندازهگیري میزان یخ داخل مخزن

از جمله ملحقات مخزن ذخیرهسازي سیستم اندازهگیري میزان یخ داخل مخزن میباشـد کـه از نظـر ملاحظـات حفـاظتی و کنترل سیستم ذخیرهسازي سرما نقش اساسی در فرایند تـامین سرمایش توسط سیستم ذخیرهسازي ایفا مینماید. سیسـتمهاي ذخیرهسازي ذوب داخلی براي ثبت میزان یخ در داخل مخزن و ارسال فرامین کنترل از اختلاف سطح آب به هنگام انجماد و ذوب یخ استفاده میکنند. با توجه به اینکه مخزن مورد استفاده در این طرح از نوع مخزن ذوب داخلی میباشـد لـذا سیسـتم کنترل مربوطه نیز بر این اساس تهیه گردید. سیستم کنترل یـخ براساس میزان یخ موجود در مخـزن ذخیـرهسـازي، خروجـی 4-20 mA ایجاد میکند. این سیستم از جمله اجـزاي مخـزن ذخیرهسازي است که همراه با مخزن ذخیـرهسـازي از خـارج کشور تهیه گردید.

-3-3 مبدل حرارتی

مبدل حرارتی به عنوان حلقه واسط بین سیستم ذخیـرهسـازي سرما و سیستم توزیع سرما در ساختمان عمل مینماید. دمـاي فرایند شارژ و دشارژ، دبی سیال عامل و میزان پمپـاژ بایـد بـه گونهاي تنظیم گردد که بین دستگاه ذخیرهسازي سرما و شبکه توزیع سرماي ساختمان تناسب خوبی برقرار باشد. مبدل مورد اشاره براساس بار برودتـی سـاختمان اداري قرچـک انتخـاب گردید. با توجه به اینکـه بـار برودتـی سـاختمان اداري بـرق قرچــک حــداکثر 45 تــن برودتــی (حــدود 150 کیلــووات) محاسبه شده است لذا مبدل حرارتی انتخاب شده بایستی توانایی تبادل حرارت به میزان فوقالذکر را دارا باشد. علاوه بر مـوارد فـوقالـذکر نکتـه قابـل ذکـر اینکـه نیازهـاي ضروري براي عملکـرد مبـدلهاي حرارتـی مـورد اسـتفاده در سیستمهاي ذخیرهسازي سرما (پیشـگیري از انجمـاد سـیال ازسیکل، ایجاد سیال با دما با دقت مورد نظر و ...) باعـث شـده است کـه اسـتفاده از مبـدلهاي پوسـته- لولـهاي در ایـن نـوع سیستمها کاربردي نداشته باشد. مبدلهاي حرارتی صفحهاي (Plate Heat Exchanger) به لحاظ مزایایی نظیر راندمان قابل توجه، ایجاد دماي مطلوب با دقـت مورد نظر، فشرده بودن و نیاز به فضاي بسیار کـم کاربردهـاي فراوانی پیدا کردهاند. با توجه به ملاحظات پیشگفته اسـتفاده از مبدلهاي حرارتی صفحهاي در سیستمهاي ذخیرهسازي سرما اجتناب ناپذیر میباشد. مشخصات فنی مبدل صفحهاي مـورد استفاده در طرح حاضر مطابق اطلاعات مندرج در جدول (2)میباشد.

-4-3 پمپهاي چرخش سیال

براساس انتخاب سایز لولـههـاي ارتبـاطی و محـل قرارگیـري اجزاي سیستم ذخیرهسازي سرما میتوان نسـبت بـه محاسـبه افت فشار و به تبع آن تعیین ظرفیت پمپهاي مورد نیاز اقدام نمود. همانگونه که در شـکل (2) نشـان داده شـده اسـت، در سیکل سمت گلیکول 4 دستگاه پمپ دور متغیر (دو دستگاه از پمپهاي مذکور رزرو هستند) و در سمت آب یک پمپ دور متغیر در این طرح پیشبینی شده است. شایان ذکر است که به لحاظ ضرورت کنترل دما در مدهاي مختلف عملکرد سیسـتم ذخیرهسازي، پمپهاي (1) الی (5) از نـوع دور متغیـر انتخـاب گردیدند. براي سمت آب استفاده از پمپهاي پـیشبینـی شـده براي گرمایش ساختمان نیز امکانپـذیر اسـت کـه بـه عنـوان رزرو پمپ (5) قابل بهرهبرداري است.
براسـاس چیـدمان طراحـی شـده نسـبت بـه تحلیـل هیـدرو دینامیکی سیکل و انجام محاسبات افـت فشـار آن و انتخـاب پمپهاي مربوطه اقدام گردید شایان ذکر است که چهار پمپ سمت گلیکول از یک مـدل و پمـپ سـمت آب نیـز از مـدل دیگري میباشد. مشخصات فنی پمپهـاي مـورد اسـتفاده در جدول (3) ارائه شده است.

-5-3 مخزن انبساط و سیستم جبرانساز اتیلن گلیکول

پر کردن سیکل تبرید سمت اتیلن گلیکول و ایجاد فشـار لازم براي استفاده از پمپهاي چـرخش سـیال بـه کمـک سیسـتم جبـرانسـاز (Makeup System) و مخـزن انبسـاط صـورت میگیرد. مخزن انبساط متناسب با موقعیت نصب می توانـد از نوع باز یا بسته باشد. در سمت اتیلن گلیکول از مخزن انبساط نوع بسته استفاده گردید. در سمت آب نیز در ابتدا مخزن نوع بسته استفاده گردید ولی بـه لحـاظ مشـکلات ناشـی از جـرم گرفتگی شیرهاي رابط مخزن نوع بسـته و عملکـرد نامناسـب آن، مخزن نوع باز جایگزین مخزن نوع بسته شد.

-6-3 شیرهاي کنترل

حالات مختلف عملکرد سیستم ذخیرهسـازي منتخـب شـامل هفت حالت میباشد. این حالات شامل (1 تامین بـار برودتـی ساختمان توسط چیلر به تنهایی، (2تامین بـار برودتـی توسـط چیلر و مخزن- الویت با چیلر، (3 تامین بار برودتی ساختمان توسط مخزن به تنهایی، (4 تامین بار برودتـی توسـط چیلـر و مخزن- الویت با مخـزن، (5 سـاخت یـخ، (6 سـاخت یـخ و تامین سرمایش مورد نیاز ساختمان - اولویت با یخسـازي، (7 ساخت یخ و تامین سرمایش مورد نیاز ساختمان - اولویت با تامین سرمایش میباشد.
چگونگی ایجاد این شرایط وابسته به حالات عملکـرد چیلـر، پمپهاي سیستم و شیرهاي مربوطه مـیباشـد. در مرجـع [7]

نحوه عملکرد و چگونگی انتخاب شیرهاي پیشگفتـه تشـریح شده است. شیرهاي مورد استفاده در سیستم ذخیرهسازي سرما در شکل (2) نشان داده شده است.

-7-3 سنسورها و نمایشگرهاي دما و فشار

اندازهگیري دما و فشار در بخشهاي مختلف سـیکل از جملـه ضروریات ارزیابی عملکـرد سیسـتمهاي ذخیـرهسـازي سـرما میباشد. به همین لحاظ در نقـاط معینـی از سـیکل سـرمایش سنسورهاي مذکور تعبیه شده است. کنترل دماي آب و اتـیلن گلیکول ورودي و خروجی چیلر و مبـدل از جملـه مهمتـرین پارامترهاي کنترل سیستم ذخیرهسازي سرما میباشد.

-8-3 سختیگیر آب

در آبهاي صنعتی، بالا بودن سختی آب سبب تشکیل رسوبات سخت در جدار لولهها و فـنکویلهـا و اجـزاي ارتبـاطی آنهـا میگردد کـه عـلاوه بـر افـزایش افـت فشـار در طـول مسـیر لولههاي ارتباطی سبب کاهش انتقال حرارت میشود. با توجه به حساسیت مبدل حرارتی مورد استفاده در این طرح، تصـفیه آب در گردش در سـاختمان ضـروري مـی باشـد. بـه همـین منظور یک دستگاه سختیگیر در طرح حاضر پیشبینی گردید.
سختیگیر مذکور از نوع دو مخزن (هـر یـک بـه حجـم 120 لیتر) میباشد.

-9-3 تجهیزات الکتریکی سیستم ذخیرهسازي سرما

از جمله مهمترین بخشهاي ذخیرهسـازي سـرما تـابلوي بـرق قدرتی آن سیستم میباشد. براساس طراحی صـورت پذیرفتـه براي دو حالت عملکرد دسـتی و عملکـرد اتوماتیـک (PLC) امکانات برقی لازم براساس نقشههااي تفصـیلی طـرح تهیـه و نسبت به ساخت تابلو برق مربوطه اقدام شد.

-10-3 تجهیزات سیستم کنترل سیستم ذخیرهسـازي

سرما
برنامهریزي و کنترل سیستم ذخیرهسازي سرما، مستلزم کنتـرل اجزایی نظیر چیلر، پمپهاي دور متغییر، شیرهاي کنترلی، میزان یخ درون مخزن و شیرهاي سه راهه و برقی مورد اسـتفاده در طرح است (شکل .((2)
در این طرح پژوهشی براساس تعداد نقاط کنترل تعیـین شـده نســبت بــه انتخــاب و خریــداري PLC اقــدام و بــر اســاس الگوریتمهاي تهیه شده نسبت به پیادهسازي منطـق حـاکم بـر سیستم ذخیرهسـازي سـرما اقـدام گردیـد. جزئیـات طراحـی سیستم کنترل مذکور در مرجع [8] ارائه شده است.

-11-3 اتــیلنگلیکــول مــورد اســتفاده در سیســتم ذخیره سازي سرما
اتیلن گلیکول مورد استفاده در سیستمهاي ذخیرهسـازي سـرما از نوع فسفاتی بوده و با ضد یخ مـورد اسـتفاده در خودروهـا متفاوت است. به همین دلیل با شرکتهاي تولید کننـده داخلـی در زمینه تامین اتیلن گلیکول مورد نیاز سیستم تبادل نظر شـد
و در نهایت نسبت به تهیه اتیلن گلیکول مـورد نیـاز بصـورت سفارشی اقدام شد.